El sistema energético de la Unión Europea está experimentando una profunda transformación con la finalidad de mitigar el cambio climático y de asegurar la independencia energética de sus Estados Miembro. Para ello se están llevando a cabo una serie de medidas como la implantación de una cuota mínima en el transporte del 3.5% de biocarburantes producidos a partir de residuos lignocelulósicos, entre otros biocombustibles, para 2030. En este contexto, toma relevancia la producción de biobutanol a partir de residuos lignocelulósicos mediante la fermentación aceto-butílica-etílica (ABE). Sin embargo, su implantación a nivel industrial continúa presentando una serie de desafíos entre los que se puede destacar la necesidad de múltiples etapas de proceso: pretratamiento, hidrólisis enzimática, fermentación y recuperación de producto. Una de las estrategias que permite reducir el número de etapas es el proceso de sacarificación y fermentación simultánea (SSF) que combina las etapas de hidrólisis enzimática y de fermentación en un mismo reactor. El objetivo general de la presente tesis doctoral es el estudio del proceso SSF como una configuración alternativa al proceso convencional de sacarificación y fermentación separada (SHF) en la producción de biobutanol a partir de paja de arroz. Cabe destacar que, hasta la fecha, no se había evaluado el uso de este residuo en el proceso SSF. En esta tesis doctoral, se seleccionó "Clostridium beijerinckii" DSM 6422 como cepa bacteriana a emplear en la fermentación y se utilizó paja de arroz del Parque Natural de la Albufera (Valencia, España), icónico humedal del mediterráneo occidental en el que se requiere métodos de gestión de la paja que reduzcan el impacto de la producción de arroz sobre el medioambiente. La experimentación de la tesis doctoral se planificó mediante el diseño de experimentos como metodología estadística. En los ensayos llevados a cabo para comparar los procesos SSF y SHF, se utilizó paja de arroz pretratada mediante hidrotermólisis asistida por microondas. Los resultados mostraron que la configuración simultánea incrementó en un 173% la productividad total de butanol en comparación con la configuración separada. Adicionalmente, se incluyó el análisis del efecto del pH inicial, de la concentración de extracto de levadura, de la concentración de hierro y de la carga enzimática sobre la producción de biobutanol en el proceso SSF, finalizando con una etapa posterior de optimización. Los resultados del primer estudio pusieron de manifiesto la necesidad de mejorar la accesibilidad de la celulosa y la hemicelulosa de la paja de arroz a las enzimas hidrolíticas. Por este motivo se planificó un segundo estudio en el que se evaluó el pretratamiento alcalino con hidróxido sódico. Este estudio incluyó una aproximación novedosa en la que se utilizó como variable respuesta la relación butanol-biomasa, un parámetro que cuantifica la conversión de biomasa en biobutanol. Este parámetro permitió analizar el efecto de las variables del pretratamiento (temperatura y tiempo de reacción, concentración de hidróxido sódico y carga de sólidos) sobre la conversión de biomasa en biobutanol en el proceso SHF. La aplicación del pretratamiento con las condiciones optimizadas resultó en una conversión de biomasa en butanol de 78 g/kg junto con una producción de butanol de 10.1 g/L. Finalmente, se desarrolló una configuración novedosa en la producción de biobutanol a partir de residuos lignocelulósicos que combinaba el proceso SSF con la recuperación in situ de producto (SSFR) y que operaba en modo de alimentación semicontinuo. En este estudio, se empleó paja de arroz sometida al pretratamiento alcalino optimizado. La aplicación del proceso SSFR en modo semicontinuo permitió duplicar la productividad de butanol (0.344 g/L h) en comparación con el proceso SSF en modo discontinuo (0.170 g/L h). Adicionalmente, se evaluó la posibilidad de reducir la carga enzimática y la concentración de los componentes del medio en esta configuración avanzada.

The European Union’s energy system is going through a profound transformation in an attempt to mitigate the effects of climate change and ensure that the member states retain their energy independence. This involves a number of changes, including imposing a minimum quota of 3.5% of lignocellulosic-based biofuels, among other biofuels, for transport by 2030. In this context lignocellulosic-based biobutanol by acetone-butanol-ethanol (ABE) fermentation is gaining importance. However, its production on an industrial scale still faces some challenges, one of the most important being the many stages the process requires: pretreatment, enzymatic hydrolysis, fermentation and product recovery. Simultaneous saccharification and fermentation (SSF), which combines enzymatic hydrolysis and fermentation in a single reactor, is one of the strategies that can be used to reduce the number of stages. The general aim of the present doctoral thesis is to study SSF as an alternative configuration to the conventional separate saccharification and fermentation processes (SHF) to produce biobutanol from rice straw. It should be noted that to date the use of this residue has not been considered for SSF. For this thesis "Clostridium beijerinckii" DSM 6422 was selected as the bacterial fermentation strain and it was used rice straw from the Parque Natural de la Albufera (Valencia, Spain), iconic Western Mediterranean wetlands where management methods for straw are necessary to reduce the impact of rice production on the environment. The experiments involved in the thesis were planned by statistical design of experiments. Rice straw pretreated by microwave-assisted hydrothermal hydrolysis was used in the tests carried out to compare SSF and SHF. The results showed that the simultaneous configuration increased total butanol productivity over the separate configuration by 173%. The effect of initial pH, yeast extract concentration, iron concentration and enzyme loading on biobutanol production was also analysed in the SSF process, with a final optimisation stage. As the results of the first study showed that there was a need to improve rice straw cellulose and hemicellulose accessibility to hydrolytic enzymes, a second study was planned to evaluate alkali pretreatment with sodium hydroxide, including a novel approach using as a variable response the butanol-biomass ratio, the parameter that quantifies biomass conversion to biobutanol. This parameter allowed to analyze the effect of the pretreatment variables (temperature and reaction time, sodium hydroxide concentration and solid loafing) on biomass conversion to biobutanol in SHF. Applying the pretreatment in the optimal conditions resulted in a biomass conversion to biobutanol of 78 g kg^-1 together with a butanol production of 10.1 g L^-1. Finally, a novel lignocellulosic-based biobutanol production configuration was created combining SSF with in situ product recovery (SSFR) operating in fed-batch mode. In this study, it was used rice straw pretreated with optimal conditions derived from the second study. Applying fed-batch SSFR doubled butanol productivity (0.344 g L^-1 h^-1) over SSF (0.170 g L^-1 h^-1). The possibility of reducing the enzyme loading and the concentration of medium components was also evaluated in this advanced configuration.